撰稿 / 王作城 (科學推展中心特約編輯)
紀錄緲子與氦原子核結合形成帶正電氦離子的實驗結果，其中突起的部分代表成功受到雷射光誘導發射的事件。
你知道緲子是什麼嗎？緲子是電子的「兄弟」，但是它的質量比電子重了大約兩百倍，而且壽命極短。那緲子有什麼作用？清華大學劉怡維教授參與在瑞典保羅謝爾研究所進行的跨國研究，以緲子更精準測量氦原子核大小，精度達到過去的五倍，量出來的值為1.67824 飛米（一飛米為10-15公尺）。
或許也會有人問，為什麼要測量氦原子核的大小？氦原子核又稱α粒子，如果高中物理課沒有睡覺，大概還記得拉塞福就是用α粒子轟擊金箔，發現大多數粒子維持原本的運動方向，只有少部分偏移，藉此確定原子核的存在。
一個世紀過去後，我們已經知道大霹靂後最初形成的原子核約有1/4是氦原子核，氦原子核由兩個質子跟兩個中子組成，還有氦是在宇宙中含量僅次於氫的元素。
因此，如果能了解氦原子核的特性，對於基礎物理學來說至關重要。就像這次的研究成果，如果我們能量測氦原子核的半徑，那也能用以檢驗其他輕原子核的半徑，並且檢驗過去的預測。更進一步，我們能更了解原子核，而且或許也能更深刻地理解質子與中子之間的強核力。
說了這麼多，這次的實驗是怎麼做的呢？
一般而言，就像我們在高中物理課學到的一樣，氦原子核外面有兩個帶負電的電子圍繞著它運行。但是，這次的實驗裡，研究人員們用緲子射向一個充滿氦氣的小房間，如果「條件合適」，就會取代電子跟氦氣結合，同時緲子會失去能量，而在這過程中另一個電子也會從原子核射出，因此形成一個帶正電的氦離子。
當然，這絕非易事。這也是把研究地點選在保羅謝爾研究所的主因：那裏可以提供比其他類似地點更多的緲子。
這一步之後才是關鍵，因為緲子壽命很短，有多短呢？在衰變前只有兩微秒的壽命（1微秒為10-6秒），而前述緲子與氦原子核結合形成帶正電氦離子的過程更是只有1微秒。研究人員要在這1微秒的時間內，發射正確頻率的雷射光，之後紀錄成功受到雷射光激發後，從氦離子發射的單個X射線光子，以及緲子衰變後產生的電子。
由於緲子的質量是電子的兩百倍，因此它跟原子核的距離也是電子的兩百倍，而又因為如此，雷射光對原子核的敏感度是普通氦離子的800倍。不過，就算如此，也只有8/50000的機率會成功。而也正是靠著研究人員的努力，才能達到這樣的成果。
下一步呢？下一步能做什麼研究？研究人員說，下一步會是質子的磁半徑測量，但因為質子更小，所以需要比這次研究還強十倍的雷射。對於他們的成果，我們也拭目以待。
